MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Optoelektronikai eszközök: Világító diódák, fotodiódák, képfelvevők, megjelenítők http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/21-OPTEL.ppt

http://www.eet.bme.hu

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

LED-ek, OLED-ek ► ► ► ►

2009-12-8

Áttekintés, a működés lényege LED típusok LED-ek jellemzői Fehér fény előállítása

Optoelektronikai eszközök © Poppe András, BME-EET 2008

2



LED == világító dióda ► LED

– light emitting diode ► Vegyületfélvezetők: III-V-ös anyagok, pl.

GaAs InP AlGaAs AlInGaP

LED-ek gyártására használt elemek: III és V oszlop a periódusos rendszerben:

► Összetétel

változása:

sávszerkezet n/p típus 2009-12-8


3



Fénykibocsájtás alapja: direkt sáv ► Sávszerkezet:

a megengedett energia szintek az impulzus-vektor (k) függvényében

Direkt átmenet

Eel

Eel

Indirekt átmenet

Δk k

vezetési sáv

ΔE = Eg

rekombináció

k

ΔE

fonon-csatolt átmenet

vegyérték sáv

Fonon is emittálódik: melegszik a kristályrács

Hatásfok különbség!!

Elyuk

Elyuk

foton emisszió: ΔE = h·ν Frekvencia

A rekombinációs áramhoz kötődik a fény emisszió.

hullámhosz: λ = c/ν

2009-12-8


4



Korai LED struktúrák λ [nm] 700 660 630 610 590 565 555

szín vörös vörös vörös narancs sárga zöld zöld

LED anyag GaP:Zn-O/GaP GaAl0,3As/GaAs GaAs0,35P0,65:N/GaP GaAs0,25P0,75:N/GaP GaAs0,15P0,85:N/GaP GaP:N/GaP GaP/GaP

A hullámhossz (szín) a tiltott sáv szélességétől (ΔE) függ. Az pedig a PN átmenet anyagi minőségétől függ. ΔE = h·ν λ = c/ν 2009-12-8

Az emittált fény színe a III és V oszlopbeli elemek arányával állítható


5



LED-ek fejlődéstörténete 1967: Első LED: GaAs + LaF3YbEr 1973: Sárgászöld LED (GaP) 1975: Sárga LED 1978: Nagy intenzitású vörös LED 1993: Kék LED 1997: Fehér LED (kék + fénypor) 2001: Fehér LED (UV LED + fénypor) Napjaink: Nagyteljesítményű LED-ek 1..10W Korábban csupán indikátorokként (berendezések előlapján) használták, ma már betörtek a világítástechnika területére 2009-12-8


6



Színek

2009-12-8


7



Fényhasznosítás [Lumen / Watt]

A LED-ek fényhasznosítása 100 InGaAlP InGaN Modern lámpa

InGaAlP InGaN

10

InGaN

GaAlAs GaP:N InGaN GaAlAs

GaAsP:N

1

GaAsP

0,1 1970 2009-12-8

1975

Edison

SiC

1980

1985

1990


1995

2000

2005

2010 8



Hagyományos LED szerkezete LED chip

2009-12-8

Műanyag lencse

Reflektor

Kikötő vezeték

Katód

Anód


9



Hagyományos LED szerkezete

LED chip

LED chip a reflektorban 2009-12-8


10



LED-ek jellemzése ►

Elektromos paraméterek: Nyitó feszültség: 2.5 V .. 4 V, a színtől függ Nyitó áram: • kisteljesítményű, hagyományos LED-ek: ~10 mA • nagyteljesítményű LED-ek: 300 mA … 800 mA …1500 mA

Záróirány: kicsi letörési feszültség ⇒ védő dióda (az is LED – vörös) ►

Tokozás hőellenállás: 300 K/W .. 10 K/W tokozás fajtája: hűtőfelület/MCPCB, optika kivitele

►

Optikai paraméterek fényáram [lm], fényhasznosítás [lm/W] optikai teljesítmény [W] spektrum + domináns hullámhossz (színes) vagy korrelált színhőmérséklet + x,y koordináták (fehér) sugárzási karakterisztika

►

Hatásfokok – sokféle van Az adott LED-gyártó technológiáitól függenek... 2009-12-8


11



Toktípusok OSRAM:

Radial LED Chip 250 x 250 µm

High Power LED Chip 700 x 700 µm

Rth = 10 K/W Soldered heat sink

Metall core PCB

Lumileds: Rth = 200 K/W

2009-12-8


12



LED-ek osztályozása tokozás szerint ► Egyedi,

tokozott LED-ek

Level 0 device ► Fém

magvas NYÁK-ra szerelt eszközök

Level 1 device ► LED

szerelvények

► LED

cluster-ek

2009-12-8


13



Optikai paraméterek ► Kisugárzott

fényteljesítmény (radiometriai fluxus) ► Fényáram (luminous flux, Lichtstrom) a kisugárzott teljesítményfluxus súlyozva az emberi szem érzékenységével, az ún. V(λ) függvénnyel ► Spektrum

2009-12-8


14



Sugárzási karakterisztika Reflektorban ülő LED chip:

Ehhez jön még az átlátszó műanyag tok, mint optika 2009-12-8


15



LED-ek hatásfokai ► Quantum

efficiency (kvantumhatásfok)

hogy áránylik a fényemisszióval együttjáró rekombinációs áram a teljes áramhoz ► Extraction

efficiency (kicsatolási hatásfok)

hogy aránylik a külvilágba kijutó fotonok száma a LED aktív régiójában generált fotonok számához ► Power

efficiency / wall-plug efficiency – WPE (teljesítményhatásfok) hogy aránylik a kisugárzott fényteljesítmény a betáplált elektromos teljesítményhez, (Popt / Pel)

► Efficacy

/ luminous efficiency (fényhasznosítás)

hogy aránylik az emittált fényáram a betáplált elektromos teljesítményhez Optoelektronikai eszközök 2009-12-8 © Poppe András, BME-EET 2008

16



Extraction efficiency A fénykicsatolás hatásfoka a konstrukciótól függ: Lumileds ►

2009-12-8


17



Fehér fény előállítása LED-del ► Vörös

+ zöld + kék LED

RGB modul ► Kék-LED

+ fénypor

Fénypor felhordás új módozatai Sárga vagy zöld + vörös fénypor ► UV-LED

+ fénypor

A hatásfok függ a foszfor (fénypor) konverziós hatásfokától is.

2009-12-8


18



Fehér fény problematikája LED-eknél ► ►

Általánosan: színvisszaadás (color rendering) Fényporos fehér LED-eknél: Hideg/meleg fehér (kékes vagy sárgás) Korrelált színhőmérséklet (ekvivalens fekete test sugárzó hőmérséklete) Stabilitás (beégetés szükséges)

►

RGB moduloknál:

hőmérsékletérzékenység ⇒ színvándorlás DE: nem csak fehér, hanem tetszőleges szín kikeverhető (a háromszögön belül) 2009-12-8


19



Hőmérsékletfüggés ► ► ►

Az elektromos karakterisztika hőmérsékletfüggése o olyan, mint Si diódáknál (pl. nyitófesz.: -2mV/ C) Hatásfokok – növekvő hőmérséklettel csökkennek Spektrális eloszlás színes LED-eknél: csúcs hullámhossz eltolódik, hatásfok romlása miatt csúcsok laposodnak fehér LED-nél: a kék csúcs eltolódik, a fényporból származó rész hatásfok romlása miatt laposodik

2009-12-8


20



Gyártósori osztályozás ► Minden

félvezetőtechnológiának van szórása

tipikusan normális eloszlás ► Válogatás

2009-12-8

a szóráson belül: binning (bin: kosár)


21



OLEDs: what are they? ► OLED

= organic light emitting device

they are often referred to as organic light emitting diodes by and large the device behavior reminds (inorganic) semiconductor diodes ► The

general structure looks as follows: Reflector

LIGHT Must be transparent

2009-12-8


22



OLEDs: how do they look like?

LIGHT

Anode layer must be ► transparent ► of high conductance ⇒commonly PEDOT + ITO (low power, small area) PEDOT + metal grid (high power, large area) 2009-12-8


23



OLED structures: very thin layers

2009-12-8


24



OLED structures

Suitable for R2R process with flexible substrate (foil)

2009-12-8


25



Már létező OLED alkalmazások ► Display,

2009-12-8

general lighting, design effects / concepts: Philips LumiBlade


26



A fotodióda ► ►

Áttekintés, a működés lényege Alkalmazás: optocsatoló CMOS képfelvevő

2009-12-8


27



Fotodióda ► Záró

irány: generációs áram a kiürített rétegben ► Ellentétes mechanizmus, mint a rekombináció ► Foton elnyeléssel többlet generáció lesz, megnő az áram ⇒ fotoáram ►A

lezárt PN átmenet jó fényérzékelőnek

⇒ fotodióda ► Nagy

megvilágítási tartományban működik ► Alkalmazási példák: optocsatoló CMOS képfelvevő 2009-12-8


28



Fotodióda alkalmazása: optocsatoló ► Galvanikusan

szeparált adatátviteli út kialakításához ► Nagy sebesség (pl. 15Mbps) ► Bemenet: pl. GaAs LED ► Kimenet: Si fotodióda + kimeneti interfész (pl. CMOS)

2009-12-8


29



Fotodióda alkalmazása: képfelvevő ► ►

Ideális esetben: sötét referencia dióda (pl. poli réteggel fedett) CMOS technológiával kompatibilis ⇒ on-chip feldolgozó áramkör

2009-12-8


30



CMOS képfelvevő ►

► ►

A pixelben a fotoáram a dióda parazita kapacitását tölti, ennek többletfeszültségét M1en keresztül (erősítve) kiolvashatjuk. M2 – törli a pixelt Érzékelő mx + interfész

2009-12-8


31



CMOS képfelvevő ► Színes

képhez: RGB szűrők ► Integrált mikrolencsék Ezek már extra technológiai lépéseket igényelnek Pl. egy vörös szűrő

2009-12-8


32



Képmegjelenítők ► ► ►

2009-12-8

LED-es kültéri kijelzők LCD Mikrotükrös kivetítő chip


33



LED-es kijelzők ► Alapelem:

RGB modul (sokszor 2 zöld LED) ► Ezekből mátrix

2009-12-8


34



Ma ismert LCD képernyő

2009-12-8


35



A működés alapja: folyadékkristály ► Mi

a folyadékkristály?

Olyan állapotú anyag, amely a folyékony és szilárd állapot között van, a molekulái között bizonyos fokú rendezettség figyelhető meg Anizotróp tulajdonságú, vagyis a különböző irányultságú behatásokra (fény, elektromos és mágneses mező, mechanikai behatás stb.) másképpen viselkedik

2009-12-8


36



A folyadékkristály ►

A folyadékkristályok szerves anyagok, amelyeknek egy (vagy több) átmeneti fázisuk van a folyékony és a szilárd halmazállapot között.

►

Pálcika alakú molekulákból állnak, amelyek rendezett, ún. szmektikus állapotban vannak és optikai hatást hoznak létre (megváltoztatják az áthaladó fény polarizációját) ⇒ a folyadékkristály az áthaladó fény polarizációját elforgatja Ha fény halad át egy folyadékkristály által kitöltött szendvicsszerkezeten, akkor annak a polarizációs iránya is elfordul a molekulák irányultságának megfelelően (esetünkben 90°-ot)

2009-12-8


37



LCD kijelzők

polárszűrő

polárszűrő

Kijelzés céljára egy üveglapokkal határolt, 10..20 μm vastagságú folyadékkristály-réteget alkalmaznak. ► Mindkét üveglap polarizáló bevonattal van ellátva úgy, hogy a két polarizáló réteg egymásra merőleges irányú. Az üveglapokon helyezik el az átlátszó (pl. SnO2) fémből készült elektródákat. ►

~ Ha nincs az elektródák között térerősség, a folyadékkristály az áthaladó fény polarizációját 90°-kal elforgatja. Így a fény keresztüljut a második polárszűrőn is.

Térerősség hatására a folyadékkristály molekulái az elektromos erőtér irányába rendeződnek. Az áthaladó fény polarizációját nem változtatják meg, így az adott szegmens fekete marad. 2009-12-8


38



LCD típusú kijelzők ► LCD

== liquid crystal display ► LCD típusú megjelenítő rendszerek Szegmenses rendszer

Pontmátrix rendszer(karakteres kijelző)

Pontmátrix rendszer(grafikus kijelző)

2009-12-8


39



LCD konfigurációk

Transzmisszív típus

Reflexív típus

Kivetítő típus

2009-12-8


40



Az LCD szerkezete ►

Az LCD felépítése Szendvicsszerkezet (passzív mátrix LCD) Polárszűrő • a belépő és kilépő fény polarizációját állítja be

Üveg hordozóréteg Átlátszó elektródák • ezek vezérlik az LCD-t

Iránybeállító réteg Folyadékkristály-molekulák Távtartó Színszűrők Háttérvilágítás • léteznek olyan típusok is, ahol nincs háttérvilágítás, ekkor egy tükröt használnak, és a kép csak külső megvilágítás mellett látható

2009-12-8


41



DMD – deformable mirror device ► ► ►

Elektrosztatikusan mozgatott mikrotükrök mátrixa M(O)EMS – micro opto-electro-mechanical system Digitális képmegjelenítő eszköz Tükör tartó oszlopok

A digitális képinformációt egy elektronika a tükrük mozgatását vezérlő jellé alakítja...

2009-12-8


43



DMD – deformable mirror device Torziós függesztés, a tükör nélkül (mikroszkópi kép)

2009-12-8


44



DMD – deformable mirror device Pl. 640x480 vagy 1280x1024 tükör

2009-12-8


45



DMD kivetítők ►

16μm2 felületű alumínium tükörrel borított SRAM cella tartozik minden egyes pixelhez A memóriacella állapotától függően a fényt egyik vagy másik irányba tudja visszaverni (±10°) Impulzuskód-modulációval állítják elő a szürkeárnyalatokat

2009-12-8


46



DMD – deformable mirror device Szines képhez 3 chip-es rendszer vagy szűrőtárcsa piros, zöld, kék vetítéshez

2009-12-8


47

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Recommend Documents